„Übersicht der untersuchten Schweißverfahren und Prozessparameter“

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Informationsveranstaltung „Optische Strahlung am Schweißarbeitsplatz – Neue Erkenntnisse zur Bewertung und zu Schutzmaßnahmen“

06. Juni 2018 BAuA Dortmund

„Übersicht der untersuchten Schweißverfahren und Prozessparameter“

Dipl.-Ing. (FH) IWE, Uwe Mückenheim, SLV Halle GmbH

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Gliederung

Kurzvorstellung SLV Halle GmbH

1. Untersuchte Prozesse

2. Versuchsstände und Prozessdokumentation 3. Angewendete Grundwerkstoffe

4. Verfahrenserläuterung und Prozessparameter a) WIG-Schweißen

b) MSG-Schweißen incl. CMT c) Lichtbogenhandschweißen

d) Plasma-Pulver-Auftragschweißen e) Laserschweißen

f) Plasmaschneiden

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Kurzvorstellung

Abteilungen: Ausbildung / Werkstoffprüfung / Qualitätssicherung / Forschung und Entwicklung

Forschung und Entwicklung

Dr.-Ing. Krüssel

Lichtbogen / Robotik / Wärmebehandlung

Generatives Fügen

Werkstofftechnische Forschung

Pressschweißen

Konstruktion

Strahltechnik

Thermisches Trennen IT-Entwicklung

Leistungsangebot: - Industrieforschung

- öffentliche Forschungsprojekte

- Technologie- und Verfahrensentwicklungen

- Dienstleistungen (Reparaturschweißen, Auftragschweißen, Kleinserien, Serieneinführung)

- praktische und theoretische Aus- und Weiterbildung

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1. Untersuchte Prozesse

1. Wolfram-Schutzgasschweißen (14)

• Wolfram-Inertgasschweißen – WIG (141)

• Plasma-Pulver-Auftragsschweißen – PTA (152) 2. Metallschutzgasschweißen (13)

• Metall-Aktivgasschweißen - MAG (135)

• Metall-Inertgasschweißen MIG (131)

• CMT-Prozess als MAG / MIG-Variante 3. Metalllichtbogenschweißen (101)

• Lichtbogenhandschweißen – E-Hand (111) 4. Laserstrahlschweißen

• Festkörper-Laserstrahlschweißen (521)

• Gas-Laserstrahlschweißen – CO₂ (522) 5. Thermisches Trennen

• Plasmaschneiden (83)

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• alle Schweißversuche erfolgten auf ein sich drehendes Rohr mit fester Positionierung der Schweißbrenner, Stabelektrode bzw. Schweißköpfe 2. Versuchsstände und Prozessdokumentation

MSG-Schweißen CMT-Schweißen Lichtbogenhandschweißen

PTA-Schweißen Festkörper-Laserstrahlschweißen Plasmaschweißen

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• externe Prozessdokumentation der Fa. HKS Prozesstechnik GmbH

– QAS in Kombination mit einem Prozesssensor P1000 – Abtastrate 3200 Hz

– Aufzeichnung von Schweißstrom und Schweißspannung

• verfahrensspezifische Einstellgrößen manuell dokumentiert

– Drahtvorschubgeschwindigkeit – Schweißgeschwindigkeit

– Brenneranstellung

2. Versuchsstände und Prozessdokumentation

Bsp.: CMT-Prozess / S235 / Standard

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• unlegiertes Stahlrohr S235 / S355

– Ø195 x 16 mm / Ø219,1 x 20 mm / Ø275 x 20 mm

• Aluminiumrohr 6082 (EN AW-AlSiMgMn) – Ø250 x 20 mm

• rostfreier Hohlstahl (CrNi) 1.4301 – Ø224 x 22 mm

3. Angewendete Grundwerkstoffe

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a) Wolfram-Inertgasschweißen (WIG)

4. Verfahrenserläuterung und Prozessparameter

- Lichtbogen brennt zwischen nichtabschmelzen- der Wolframelektrode und dem Grundwerkstoff - inerte Schutzgasatmosphäre (Ar, Ar/He)

- Oxidation der Elektrode und Werkstück verhindert - mit oder ohne Zusatzwerkstoff geschweißt

- Zusatzwerkstoff von Wärmequelle entkoppelt

-> definierte Beeinflussung der Schmalzbadgröße und Nahtform - vorrangig Gleichstrom bei Fe-Werkstoffen

- Wechselstrom bei Aluminium, Magnesium sowie einigen Kupferlegierungen Vorteile: qualitativ hochwertige und spritzerfreie Nähte

Nachteil: geringe Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit

Einsatzgebiete: Materialstärken 0,5 – 5 mm; bei dicken Bauteile meist nur für Wurzel Apparatebau, Behälterbau, Rohrleitungsbau, Feinwerktechnik

[1]

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verwendete Stromquellentechnik und Hilfsstoffe 4. Verfahrenserläuterung und Prozessparameter

Stromquelle Fronius Magic Wave 2600

Elektrodentyp

WC-20

Wolframelektrode mit 2% Ceroxid (DIN EN ISO 6848)

Elektroden-Ø 3,2 mm

Schutzgas

ISO 14175 – I1-Ar (100% Argon)

ISO 14175 – I3-ArHe-30 (70% Argon / 30% Helium)

Schutzgasmenge 9 l/min 10 l/min

Werkstoff S235, CrNi, Al Al

eingestellte Variationsparameter in Abhängigkeit der Versuchsreihe

Schweißstromstärke I: 80-300 A

Schweißspannung U: ca. 12-19 V (gemessen)

Elektrodenabstand E_A: 2,4 mm fest; 2,0-5,1 mm Frequenz f: 50 / 100 Hz bei AC

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b) Metallschutzgasschweißen (MAG / MIG) 4. Verfahrenserläuterung und Prozessparameter

- Lichtbogen brennt zwischen einer kontinuierlich zugeführten, abschmelzenden Drahtelektrode und dem Grundwerkstoff

- MAG: Verwendung von aktiven Gasen wie CO₂, Argon-CO₂-Gemische, Argon-O₂-Gemische oder Mehrkomponentengase

- MIG: Verwendung von inerten Schutzgasen wie Argon, Helium und Ar/He-Gemische - durch Charakteristik der Schutzgase und eingestellten Schweißparametern können

unterschiedliche Werkstoffübergänge und Lichtbogenarten erzielt werden Typische Lichtbogenarten: Kurzlichtbogen, Sprühlichtbogen, Impulslichtbogen Einsatzgebiete: weit verbreitetes Schmelzschweißverfahren

Stähle und Nichteisenmetalle von 0,6 – ca. 100 mm

Stahlbau, Fahrzeugbau, Maschinenbau, Apparatebau, Behälterbau, Brückenbau, Kranbau

[1]

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Stromquelle EWM alpha Q 551

Elektrodentyp G3Si1 (1.5125) G 19 9 L Si

(1.4316) AlMg4,5MnZr (3.3546)

Schutzgas

ISO 14175- M21- ArC-18

(82% Argon / 18% CO₂)

ISO 14175- M12- ArC-2

(98% Argon / 2% CO₂)

1) ISO 14175- I1-Ar

(100% Argon)

2) ISO 1475- I3-ArHe-30

(70% Argon / 30% Helium)

Schutzgasmenge 16 l/min

K_A [mm] 16

Werkstoff S235 (S / P) CrNi (S / P) Al (P) eingestellte Variationsparameter in Abhängigkeit der Versuchsreihe

Pulsstrom I_P: 390-440 A Grundstrom I_G: 30-180 A Pulsfrequenz f_P: 100-280 Hz Schweißspannung U: ca. 17-33 V (feste Kennlinie und über Korrekturfaktoren) Prozessvariante: Standard / Puls (S / P)

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CMT-Prozess – „Cold Metal Transfer“

- herstellerspezifische Prozessvariante des MSG-Prozesses der Fa. Fronius - in raschen Intervallen der Schweißdraht entgegen der Förderrichtung gezogen - durch angepasste Steuerung beinahe stromloser Werkstoffübergang

- kontrollierte, saubere und sehr spritzerfreie Tropfenablösung 4. Verfahrenserläuterung und Prozessparameter

verwendete Stromquellentechnik und Hilfsstoffe

Stromquelle Fronius CMT advanced 4000

Werkstoff S235 (S / P) Al (P)

eingestellte Variationsparameter in Abhängigkeit der Versuchsreihe Schweißstromstärke I: 60-260 A

Pulsstrom I_P: 450-475 A Grundstrom I_G: 20-230 A Pulsfrequenz f_P: 75-240 Hz Schweißspannung U: ca. 17-30 V (feste Kennlinie; gemessen)

- Hilfstoffe und Randbedingungen identisch zu MAG / MIG - Schweißen

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c) Lichtbogenhandschweißen

- Lichtbogen brennt zwischen einer umhüllten abschmelzenden Stab- elektrode und dem Grundwerkstoff - Lichtbogen durch sich bildendes

Schutzgas und Schlacke geschützt

- Elektroden bestehen aus Kernstab und mineralischer Umhüllung

- rutil: hervorragende Schweißeigenschaften, viele Anwendungsbereiche - basisch: hohe Kerbschlagarbeit, hohe Risssicherheit

Vorteile: vielseitige Anwendungsmöglichkeiten, alle Arbeitspositionen möglich Nachteil: niedrige Abschmelzleistung; Nahtqualität hängt von Handfertigung ab

[1]

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Stromquelle EWM alpha Q 551

Elektrodentyp RR – dickumhüllte rutile Stabelektrode

Elektrodenbez.

ISO 2560-A – E 51 3 RR 22

ISO 2560-A – E 42 0 RR 12

ISO 2560-A – E 51 2 RR 22

Elektroden-Ø 2,5 mm 3,2 mm 4,0 mm 5,0 mm

Elektrodenpolung ^{DC (-)}

Elektrodentyp B – basisch umhüllte Stabelektrode

Elektrodenbez. ISO 2560-A – E 42 2 B 42 H10

ISO 2560-A – E 42 5 B 32 H5

ISO 2560-A – E 42 2 B 42 H10

ISO 2560-A – E 51 4 B 16

Elektroden-Ø 2,5 mm 3,2 mm 4,0 mm 5,0 mm

Elektrodenpolung DC (+)

Werkstoff S235

Schweißstromstärke I: RR: 80-240 A B: 70-280 A

Schweißspannung U: ca. 25-37 V (sehr schwankend, da handgeführt)

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d) Plasma-Pulver-Auftragschweißen

- Lichtbogen brennt nicht frei, sondern durch wassergekühlte Kupferdüse eingeschnürt - dadurch erhöhte Leistungsdichte

- zwei getrennte Lichtbögen

- Lichtbogen 1: zwischen Wolframelektrode und gekühlter Kupferdüse

- Lichtbogen 2: zwischen Wolframelektrode und Werkstück

- Ziel: kleiner Aufmischungsgrad <5 %

Einsatzgebiete: Auftragschweißen von verschleiß- und korrosionsbeständigen Schichten, hohe Anwendungsbreite in vielen Branchen

z.B. Kies- und Zementindustrie, Tagebauindustrie, Behälterbeschichtungen,

[2]

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Schweißspannung U: 27-37 V (gemessen)

Stromart: DC (-)

Stromquelle Castolin Eutronic GAP3002

Elektrodentyp WC-20 (2% Ceroxid)

Pilotgas ISO 14175 – I1 – Ar (100% Argon); 2,3 l/min

Pulverfördergas ISO 14175 – R1 – ArH – 5 (95% Argon / 5% H₂); 3,0 l/min Schutzgas ISO 14175 – R1 – ArH – 5 (95% Argon / 5% H₂); 13 l/min Schweißpulver UTP PLASweld FerroV15 (FeCrV)

Werkstoff S235

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e) Laserschweißen

1) Festkörperlaser

- aktives Medium: gezüchteter Einkristall, in dessen Kristallgitter Fremdatome eingelagert sind (Chrom oder Neodym)

- laseraktives Medium meist in Stabform zwischen zwei Resonatorspiegeln angeordnet - eingesetzter Faserlaser ist spezielle Form des Festkörperlasers

- aktives Medium durch Glasfaser gebildet und über Pumpdioden wird Energie zugeführt - als Dodierungselement für den aktiven Laserkern ist Ytterbium eingesetzt

Laserquelle Faserlaser YLS 12000 (Fa. IPG)

max. Leistung P=12 kW

Werkstoffe S235, CrNi, Al

verwendete Anlagentechnik und Hilfsstoffe

Laserleistung P: 1-12 kW Schweißgeschwindigkeit v_S: 184-236 cm/min Fokuslage: 0 Fokus-Ø: 0,4 mm

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4. Verfahrenserläuterung und Prozessparameter 2) CO₂-Laser

- aktive Komponente besteht aus CO₂-Molekülen

- Resonator zwischen 2 Spiegeln angeordnet und enthält Gasgemisch aus CO₂, N₂ und He (Verhältnis 1:2:10)

- durch Anlegen einer Spannung wird eine Niederdruck-Gasentladung gezündet - hauptsächliche Energieübertragung erfolgt durch Elektronenstöße auf die

Stickstoffmoleküle -> diese regen CO₂-Moleküle

- Heliumkühlt das Gemisch aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit -> stabiler Prozess

Laserquelle CO₂-Laser RS DC 035 (Fa. ROFIN)

max. Leistung P=3,5 kW

Werkstoffe S235, CrNi

verwendete Anlagentechnik und Hilfsstoffe

Laserleistung P: 1-3,5 kW Schweißgeschwindigkeit v_S: 50 cm/min

Fokuslage: 0 Wellenlänge: 10,6 μm

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f) Plasmaschneiden

- Lichtbogen durch wassergekühlte Düse stark eingeschnürt

- Energiedichte und Temperatur damit deutlich erhöht

- überlagerte Gasströmung im Düsenkanal bringt zusätzlich kinetische Energie

angewendete Verfahrensvariante: direktes Plasmaschneiden

- Plasmagas am Prozessanfang zugeschaltet und strömt durch Brenner

- mittels Hochspannung energiearmer Pilotlichtbogen zwischen Elektrode und Plasmaschneiddüse gezündet -> Gasstrecke teilweise zu ionisieren

- bei Einschaltung der Spannung zwischen Elektrode und Werkstück kann Hauptlichtbogen gezündet werden -> eigentlicher Schneidlichtbogen

- Plasmaschneidstrahl schmilzt Werkstück auf (10.000 bis 50.000 °C)

- kinetische Energie des Plasmagases treibt schmelzflüssiges Material aus Schnittfuge - quadratischer Spiralenschnitt um im Messfeld zu bleiben

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Einsatzgebiete:

- ursprünglich für nicht brennschneidgeeignete Werkstoffe gedacht, wie hoch legierter Stahl, Aluminium und Kupfer

- heutzutage können diverse metallische Werkstoffe geschnitten werden, wie auch nicht leitende Materialien

verwendete Stromquellentechnik und Hilfsstoffe

Stromquelle High Focus 440i (Fa. Kjellberg)

Schneidsystem Messer Cutting System

Schneidgas ISO 14175 – R2 – ArH

Schneidgasmenge automatisch gesteuert

Wirbelgas ISO 14175 – N1 – N

Werkstoff CrNi (t=20 mm)

eingestellte Variationsparameter in Abhängigkeit der Versuchsreihe Stromstärke I: 160-400 A

Schneidhöhe h: 4,5 / 6,0 mm

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[1] SFM / IWS Lehrgangsunterlagen, DVS e.V. 2018 [2] SFI /IWE Lehrgangsunterlagen, DVS e.V. 2018 Quellen

„Übersicht der untersuchten Schweißverfahren und Prozessparameter“

Informationsveranstaltung „Optische Strahlung am Schweißarbeitsplatz – Neue Erkenntnisse zur Bewertung und zu Schutzmaßnahmen“

06. Juni 2018 BAuA Dortmund